基于MCU的色彩控制LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在大趨勢(shì)下，LED用于通用照明指日可待。LED在通用照明中優(yōu)勢(shì)很多，如壽命更長(zhǎng)以及效率更高。然而， LED技術(shù)還面臨著一些挑戰(zhàn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何產(chǎn)生高品質(zhì)的白光。白光LED的構(gòu)成包含了藍(lán)光LED和能將光輸出移至光譜的其他波段的一種熒光粉。許多白光LED都無法產(chǎn)生高顯色指數(shù)（Color Rendering Index，CRI），該參數(shù)用于衡量光源真實(shí)重現(xiàn)色彩的能力。

通過混合兩種或兩種以上顏色的LED光，可以獲得品質(zhì)更高的白光系統(tǒng)。在這些多色系統(tǒng)中，每種色源的光輸出會(huì)隨時(shí)間和溫度而漂移。光傳感器和小型單片機(jī)（MCU）可用于維持特定顏色和相關(guān)色溫（CorrELated Color Temperature，CCT）。在本文中，我們將進(jìn)一步了解傳感器、所需MCU資源和軟件。

目前市場(chǎng)上有許多經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的小型光傳感器，它們可以向MCU提供用于處理的信息。典型地，傳感器具有一些可選的顏色過濾器，用于測(cè)量紅光、綠光、藍(lán)光或白光 （無過濾器）。光傳感器輸出接口可通過一系列的方法與MCU連接。光轉(zhuǎn)電壓傳感器通過輸出電壓與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）相連。光轉(zhuǎn)頻率傳感器提供變頻輸出， 輸出頻率與光的量成正比。這些傳感器的脈沖輸出可以在MCU定時(shí)器中進(jìn)行累加，以確定光照級(jí)別。光轉(zhuǎn)數(shù)字傳感器通常具有串行數(shù)字接口，例如I2C。每種類 型的傳感器接口都具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，且需要不同的MCU資源。圖1所示的系統(tǒng)框圖給出了多種MCU外設(shè)，它們?cè)陬伾烧{(diào)的LED照明設(shè)計(jì)中非常有用。

在完整的閉環(huán)色彩控制系 統(tǒng)中，MCU必須讀取來自光傳感器的顏色成分，校準(zhǔn)光傳感器輸出，并通過調(diào)節(jié)各個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器的輸出獲得想要的顏色。LED需要使用恒流驅(qū)動(dòng)器來維持光輸 出的一致性。這可以使用各種驅(qū)動(dòng)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)包括線性和開關(guān)模式解決方案。最終的選擇取決于諸如效率要求、輸入電壓范圍和所用LED數(shù)量等因素。

驅(qū)動(dòng)器輸出可以使用不同的方法來控制。首先，MCU可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或數(shù)字電位計(jì)來產(chǎn)生模擬參考電壓。參考電壓可以使驅(qū)動(dòng)器輸出在零至最大電流 之間變化。MCU還可以提供用于調(diào)制驅(qū)動(dòng)器輸出的PWM信號(hào)。PWM信號(hào)可用于使能/禁止驅(qū)動(dòng)器本身，或者用于控制將LED與驅(qū)動(dòng)器輸出斷開的開關(guān)。如果 使用PWM控制，則選擇的PWM頻率要足夠高，這樣人眼才能察覺不到任何閃爍。

設(shè)計(jì)人員必須確定色彩控制系統(tǒng)要求的控制分辨率需要達(dá)到何種程度，以便選擇具備相應(yīng)外設(shè)的MCU。對(duì)于光轉(zhuǎn)電壓傳感器，MCU上ADC的測(cè)量分辨率很重要。光轉(zhuǎn)頻率傳感器需要一個(gè)通過外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)遞增的MCU時(shí)基。光轉(zhuǎn)數(shù)字傳感器需要相應(yīng)的串行通信接口外設(shè)。

帶多個(gè)PWM外設(shè)的MCU可用于控制各個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器。在高分辨率色彩控制系統(tǒng)中，首選具有16位或更高控制分辨率的PWM外設(shè)。串行通信外設(shè)（如UART、SPI、I2C、LIN和USB等）支持輸入/輸出控制和顯示功能。

對(duì)色彩控制系統(tǒng)來說，PIC24FJ16GA002（見圖2）之類的MCU器件是上佳之選。PIC24器件具有28引腳的小尺寸封裝，程序存儲(chǔ)器范圍為16 至64 KB，并且在單個(gè)器件中提供了串行通信接口、10位ADC和5個(gè)PWM通道。16位MCU內(nèi)核可以輕松地處理與傳感器校準(zhǔn)和色彩控制有關(guān)的算術(shù)運(yùn)算。

傳感器數(shù)據(jù)輸出必須根據(jù)參考電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，以提供一致的結(jié)果。校準(zhǔn)過程使用色度計(jì)來將不同顏色LED的輸出與光譜響應(yīng)和光傳感器的靈敏度在標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)系中 進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)。校準(zhǔn)過程會(huì)生成一個(gè)系數(shù)矩陣，它必須隨照明系統(tǒng)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，并在控制系統(tǒng)的每次控制中用于確定關(guān)聯(lián)和所需輸出之間的差。

完成校準(zhǔn)后，MCU可以將傳感器數(shù)據(jù)與理想的CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）色度圖坐標(biāo)進(jìn)行比較，并對(duì)輸出通道進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到得到理想的CCT為止。每個(gè)輸出通道 的PID控制算法會(huì)使用校準(zhǔn)值調(diào)節(jié)傳感器數(shù)據(jù)，求得與目標(biāo)設(shè)置點(diǎn)的差，然后調(diào)節(jié)輸出通道。為了減小誤差，PID會(huì)不斷運(yùn)行，直到輸出CCT與設(shè)置點(diǎn)CCT 匹配為止。PID系數(shù)可以進(jìn)行微調(diào)，以最大程度優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)，但PID算法收斂至目標(biāo)CCT的快慢也是MCU處理算術(shù)運(yùn)算效率的函數(shù)。一些色彩控制系統(tǒng)可 能需要比其他系統(tǒng)更快的處理速度和響應(yīng)速度。例如，通用照明系統(tǒng)的要求要比HDTV面板的局部調(diào)光系統(tǒng)低。

光源可調(diào)或具有高 CRI的系統(tǒng)有一系列的用戶控制要求。帶圖形LCD顯示屏的醫(yī)療設(shè)備可能具有可調(diào)的LED背光（它要求MCU通過SPI與LCD進(jìn)行通信），以及用于調(diào)節(jié) CCT和亮度的觸摸屏界面。商用顯示設(shè)備的通用照明可能要求通過中央面板或計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，以根據(jù)一天中的各個(gè)時(shí)段自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、CCT和開/關(guān)。這些設(shè) 備之間的通信可以使用硬連線串行總線協(xié)議（例如DALI或DMX512）實(shí)現(xiàn)，而其他一些設(shè)備可能需要使用通過USB或以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的自定義接口。在已竣工 的建筑物中，安裝硬連線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可能不行，需要通過無線通信和協(xié)議（例如ZigBee）進(jìn)行控制。對(duì)于此類照明應(yīng)用，帶有靈活外設(shè)的MCU是實(shí)現(xiàn)通信和用 戶界面的理想之選。

蠟燭、煤油燈和白熾燈等光源技術(shù)取代了它們之前的技術(shù)，進(jìn)而提高了人們的生活質(zhì)量。預(yù)計(jì)LED光源比其他所有的光源技術(shù)更好地豐富我們的生活。LED具有能效高、尺寸小、便攜、耐用和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。采用小型MCU進(jìn)行控制的多色LED可以調(diào)節(jié)光輸出，提供適合照明空間的舒適光照。MCU可以智能地控制驅(qū)動(dòng)器電路（使能效最大）、監(jiān)視一些情況，以及最大程度提高能效和平均壽命。 MCU色彩控制LED照明系統(tǒng)將使人們能夠用不同的眼“光”看世界。
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